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計量学は測定に関する科学的研究である。[1]計量学は、人間の活動を結びつける上で極めて重要な単位の共通理解を確立する。[2]現代の計量学は、フランス革命の政治的動機で、自然源から得た長さの標準が提案されたときにフランスで単位を標準化したことにそのルーツがある。これが1795年に十進法に基づくメートル法の創設につながり、他の種類の測定のための一連の標準が確立された。1795年から1875年の間に、他のいくつかの国がメートル法を採用した。各国間の整合性を確保するため、メートル条約によって国際度量衡局（BIPM）が設立された。[3] [4]これは、1960年の第11回国際度量衡総会（CGPM）の決議の結果として、国際単位系（SI）へと発展した。 [5]
計量学は3つの基本的な重複する活動に分かれています。[6] [7]
- 測定単位の定義
- これらの測定単位の実際の実現
- トレーサビリティ - 実際に行われた測定を参照標準にリンクする
これらの重複する活動は、計測学の3つの基本的なサブフィールドによってさまざまな程度で使用されています。[6]
- 測定単位の確立に関わる科学的または基礎的な計量学
- 応用、技術、または工業計測学 - 社会における製造やその他のプロセスへの計測の応用
- 法定計量学は、計測機器および計測方法に関する規制および法定要件を網羅しています。
各国には、国家計量システム（NMS）が、その国の計量インフラを整備・維持する研究所、校正施設、認定機関のネットワークとして存在している。 [8] [9] NMSは、国における計測方法や国際社会による計測の認識に影響を及ぼし、その国の社会（経済、エネルギー、環境、健康、製造、産業、消費者信頼など）に幅広い影響を及ぼしている。[10] [11]計量による貿易と経済への影響は、最も観察しやすい社会的影響の1つである。公正な貿易を促進するためには、合意された計測システムが必要である。[11]
歴史
測定能力だけでは不十分であり、標準化は測定が意味を持つために不可欠です。[12]恒久的な標準の最初の記録は紀元前2900年で、エジプト王室のキュビットが黒色花崗岩から彫られたときです。[12]キュビットはファラオの前腕の長さと手の幅の合計であると定められ、レプリカの標準が建設者に与えられました。[3]ピラミッドの建設のための標準化された長さの成功は、ピラミッドの底辺の長さが0.05％以内の差で示されている。[12]
中国では、度量衡は職人の様々な工芸品や儀式用の器具に使われていたため、半ば宗教的な意味を持っており、鉄秤や他の道具とともに礼記にも記載されています。[13]
他の文明では、一般的に受け入れられている計測基準が作られ、ローマとギリシャの建築は異なる計測システムに基づいていました。[12]帝国の崩壊とそれに続く暗黒時代により、計測に関する知識と標準化の多くが失われました。地域の計測システムは共通でしたが、多くの地域のシステムが互換性がなかったため、比較は困難でした。[12]イングランドは1196年に長さの計測基準を作成するために計量法を制定し、1215年のマグナカルタにはワインやビールの計測に関するセクションが含まれていました。[14]
近代計量学は、フランス革命にその起源を持つ。フランス全土で単位を調和させようという政治的動機から、自然の源に基づいた長さの標準が提案された。[12] 1791年3月、メートルが定義された。[4]これにより、1795年に十進法に基づくメートル法が創設され、他の種類の計測の標準が確立された。1795年から1875年の間に、他のいくつかの国がメートル法を採用した。国際的な整合性を確保するために、メートル条約によって国際度量衡局（フランス語：Bureau International des Poids et Mesures、またはBIPM）が設立された。[3] [4] BIPMの本来の使命は、計測単位の国際標準を作成し、それを国家標準に関連付けて整合性を確保することであったが、その範囲は、電気単位や測光単位、電離放射線計測標準を含むように広がった。 [4]メートル法は1960年に第11回国際度量衡総会（フランス語：Conference Generale des Poids et Mesures、CGPM）の決議により国際単位系（SI）が創設され近代化されました。 [5]
サブフィールド
国際度量衡局（BIPM）は、計量学を「科学技術分野のあらゆる不確実性のレベルにおける実験的および理論的決定の両方を包含する測定の科学」と定義しています。[15]計量学は、人間の活動にとって極めて重要な単位の共通理解を確立します。[2]計量学は広範囲にわたる分野ですが、国際的に受け入れられている測定単位の定義、これらの測定単位の実際の実現、およびトレーサビリティチェーン（測定値を参照標準にリンクする）の適用という3つの基本的な活動に要約できます。[2] [6]これらの概念は、科学計量学、応用、技術または工業計量学、および法定計量学という計量学の3つの主要分野にさまざまな程度で適用されます。[6]
科学的計測
科学的計量学は、測定単位の確立、新しい測定方法の開発、測定標準の実現、およびこれらの標準から社会のユーザーへのトレーサビリティの移転に関係しています。[2] [3]このタイプの計量学は、最高レベルの精度を目指す最高レベルの計量学と見なされています。[2] BIPMは、世界中の研究所の計量校正および測定能力のデータベースを維持しています。これらの研究所の活動はピアレビューされており、計量トレーサビリティの基本的な参照ポイントを提供します。測定の分野では、BIPMは音響、電気と磁気、長さ、質量と関連量、測光と放射測定、電離放射線、時間と周波数、温度測定、化学の9つの計量学領域を特定しています。[16]
2019年5月現在、基本単位を定義する物理的な物体はない。[17]基本単位を変更する動機は、システム全体を物理定数から導出できるようにするためであり、そのためには、単位の定義が依存する最後の人工物であるキログラム原器を削除する必要があった。[18]基本単位の正確な定義を得るには物理定数の正確な測定が必要であるため、科学的計量学はこの単位の再定義において重要な役割を果たしている。人工物なしでキログラムの値を再定義するには、プランク定数の値が20ppbまでわかっていなければならない。[19]科学的計量学は、キブル天秤の開発とアボガドロ計画を通じて、キログラムの再定義を可能にするほど不確実性が低いプランク定数の値を生み出した。[18]
応用、技術、または工業計測
応用、技術、または工業計量学は、測定を製造やその他のプロセスに適用し、社会で使用し、測定機器の適合性、校正、品質管理を確保することに関係しています。[2]優れた測定を行うことは、最終製品の価値と品質に影響を与え、生産コストに 10～15% の影響を与えるため、産業界では重要です。[6]この分野の計量学では測定自体に重点が置かれていますが、測定の信頼性を確保するには、測定機器の校正のトレーサビリティが必要です。産業界における計量能力の認識は、相互承認協定、認定、またはピアレビューを通じて達成できます。[6]工業計量学は国の経済と産業の発展にとって重要であり、国の工業計量学プログラムの状態はその国の経済状況を示すことができます。[20]
法定計量
法定計量とは、「法定要件から生じる活動で、測定、測定単位、測定機器、測定方法に関係し、管轄機関によって実行される」ものである。[21]このような法定要件は、健康、公共の安全、環境、課税、消費者保護、公正取引の保護の必要性から生じる場合がある。国際法定計量機構 ( OIML ) は、法的要件が貿易を妨げないように、国境を越えた規制の調和を支援するために設立された。[22]この調和により、ある国の測定機器の認証が他の国の認証プロセスと互換性を持つことが保証され、測定機器とそれに依存する製品の貿易が可能になる。WELMECは、欧州連合および欧州自由貿易連合(EFTA) 加盟国間で法定計量分野の協力を促進するために 1990 年に設立された。 [23]米国では、法定計量は国立標準技術研究所(NIST)の度量衡局の管轄下にあり、各州によって施行されている。[22]
コンセプト
単位の定義
国際単位系（SI）は、長さ、質量、時間、電流、熱力学的温度、物質量、光度の7つの基本単位を定義しています。[24]慣例により、これらの単位はそれぞれ相互に独立していると考えられており、定義定数から直接構築できます。[25] ：129 その他のSI単位は、7つの基本単位の累乗として構築されます。[25] ：129
基本単位はSI単位で行われたすべての測定の基準点であるため、基準値が変更されると、それ以前の測定はすべて不正確になります。2019年より前は、国際キログラム原器の一部が折り取られたとしても、それは依然としてキログラムとして定義され、キログラムの以前の測定値はすべてより重かったでしょう。[3]再現可能なSI単位の重要性により、BIPMはすべてのSI基本単位を物理定数で定義するという作業を完了しました。[26]
SI基本単位を人工物や特定の物質ではなく物理定数に基づいて定義することで、より高い精度と再現性を実現できます。[26] 2019年5月20日のSI改定時点で、キログラム、アンペア、ケルビン、モルは、それぞれプランク定数（h）、電気素量（e）、ボルツマン定数（k）、アボガドロ定数（N A）の正確な数値を設定することで定義されています。秒、メートル、カンデラは、以前は物理定数（セシウム標準（ΔνCs）、光速（c）、および熱ルミネセンス効率）によって定義されていました。540 × 10 12 Hzの可視光線放射（K cd））は、現在の定義を修正する必要があります。新しい定義は、単位のサイズを変更することなくSIを改善し、既存の測定との連続性を確保することを目的としています。[27] [25] ：123、128
ユニットの実現
測定単位の実現とは、それを現実に変換することである。[ 28 ]国際計量用語集（VIM）では、測定単位の定義からの物理的な実現、定義の再現としての再現性の高い測定（オームの量子ホール効果など）、測定基準としての物質的物体の使用という3つの実現方法が定義されている。[29]
標準
標準（またはエタロン）は、物理量の測定単位と定義された関係を持つオブジェクト、システム、または実験です。[30]標準は、測定装置を比較できる単位を実現、保存、または再現することにより、度量衡システムの基本的な基準となります。[2]計量学の階層には、一次標準、二次標準、作業標準の 3 つのレベルの標準があります。[20]一次標準（最高品質）は、他の標準を参照しません。二次標準は、一次標準を参照して較正されます。測定機器やその他の物質的尺度を較正（またはチェック）するために使用される作業標準は、二次標準に関して較正されます。階層により、上位の標準の品質が維持されます。[20]標準の例としては、長さのゲージ ブロックがあります。ゲージ ブロックは、2 つの反対面が正確に平らで平行になるように研磨され、正確な距離が保たれた金属またはセラミックのブロックです。[31]真空中における光の経路の長さは、1/299,792,458秒の時間間隔で測定され、ゲージブロックなどの人工標準器に組み入れられます。このゲージブロックは一次標準器として使用され、機械式コンパレータを介して二次標準器を校正するために使用できます。[32]
トレーサビリティと校正
計量トレーサビリティとは、「測定結果の特性であり、測定の不確かさに寄与する校正の連続した記録を通じて、測定結果が基準と関連付けられること」と定義される。[33]同じ研究室での前回の結果、1年前の測定結果、または世界の他の場所で行われた測定結果と比較しても、測定結果を比較することができる。[34]トレーサビリティの連鎖により、あらゆる測定を、単位の元の定義までさかのぼって、より高いレベルの測定に参照することができる。[2]
トレーサビリティは校正を通じて直接得られ、標準的なトレーサブルな計測機器の表示とコンパレータ（または比較計測機器）の値との関係を確立します。このプロセスにより、校正対象のデバイス（コンパレータ）の測定値と不確かさが決定され、計測標準へのトレーサビリティ リンクが作成されます。[33]校正の4つの主な理由は、トレーサビリティを提供すること、機器（または標準）が他の測定値と一貫していることを保証すること、精度を決定すること、および信頼性を確立することです。[2]トレーサビリティはピラミッドのように機能し、最上位レベルには世界標準を保持する国際標準があります。次のレベルは、国際標準にトレーサブルな一次標準を持つ国家計量標準機関です。国家計量標準機関の標準は、地域の研究所標準へのトレーサビリティ リンクを確立するために使用され、これらの研究所標準は、業界および試験機関へのトレーサビリティ リンクを確立するために使用されます。国家計量標準機関、校正機関、業界および試験機関の間でのその後の校正を通じて、単位定義の実現はピラミッドの下方に伝播します。[34]トレーサビリティチェーンはピラミッドの底部から上方に機能し、業界および試験機関による測定は、校正によって作成されたトレーサビリティチェーンを通じて、上部の単位定義に直接関連付けることができます。[3]
不確実性
測定の不確かさは、測定に関連する値であり、測定対象に関連する可能性のある値の広がりを表します。つまり、測定に存在する疑わしさを定量的に表現したものです。[35]測定の不確かさには、不確かさの間隔の幅と信頼水準という2つの要素があります。[36]不確かさの間隔は、測定値が含まれると予想される値の範囲であり、信頼水準は、真の値が不確かさの間隔に含まれる可能性がどの程度あるかです。不確かさは、一般的に次のように表現されます。[2]
- 被覆係数: k = 2
ここで、yは測定値、Uは不確実性値、kはカバレッジ係数です。 [a] は信頼区間を示します。不確実性区間の上限と下限は、測定値に不確実性値を加算および減算することで決定できます。カバレッジ係数k = 2 は通常、測定値が不確実性区間内に収まる 95% の信頼度を示します。[2] kの他の値は、区間の信頼度が高いか低いかを示すために使用できます。たとえば、k = 1 とk = 3 は通常、それぞれ 66% と 99.7% の信頼度を示します。[36]不確実性値は、校正の統計分析と、計測プロセスのその他のエラーによる不確実性の寄与を組み合わせて決定されます。これらのエラーは、機器の履歴、メーカーの仕様、公開情報などの情報源から評価できます。[36]
国際インフラ
いくつかの国際組織が計量法を維持し、標準化しています。
メートル条約
メートル条約は、度量衡の標準化を促進するために3つの主要な国際組織を設立した。1つ目は、国際度量衡総会（CGPM）で、加盟国の代表者のためのフォーラムを提供した。2つ目は、国際度量衡委員会（CIPM）で、高位の計量学者の諮問委員会であった。3つ目は、国際度量衡局（BIPM）で、CGPMとCIPMに事務局と研究施設を提供した。[37]
度量衡総会
国際度量衡総会（フランス語：Conférence générale des poids et mesures、CGPM）は、加盟国の代表と準加盟国の投票権のないオブザーバーで構成される、条約の主要な意思決定機関です。[38]この総会は通常、4年から6年ごとに開催され、CIPMの報告書を受領して議論し、CIPMの助言に従ってSIの新しい展開を承認します。前回の会合は2018年11月13日から16日に開催されました。この総会の最終日には、国際度量衡委員会（CIPM）がその年の初めに提案した4つの基本単位の再定義について投票が行われました。[39]新しい定義は2019年5月20日に発効しました。 [40] [41]
国際度量衡委員会
国際度量衡委員会（フランス語： Comité international des poids et mesures 、略称CIPM）は、高い科学的地位を有する加盟国から18人（当初は14人） [42]で構成され、CGPMによりCGPMに管理上および技術上の事項について助言するよう指名される。CIPMは10の諮問委員会（CC）の責任を負っており、各委員会は計量学の異なる側面を調査している。あるCCは温度の測定について、別のCCは質量の測定についてなどについて議論する。CIPMは毎年セーヴルで会合を開き、CCからの報告書について議論し、BIPMの管理および財政に関する年次報告書を加盟国政府に提出し、必要に応じてCGPMに技術上の事項について助言する。CIPMの各メンバーは異なる加盟国から選出され、フランスは（条約の設立における役割を認められて）常に1議席を占めている。[43] [44]
国際度量衡局
国際度量衡局（フランス語：Bureau international des poids et mesures、BIPM）はフランスのセーヴルに本部を置く組織であり、国際キログラム原器を保管し、CGPMとCIPMに計量サービスを提供しており、両組織の事務局を置き、会議を主催している。[45] [46]長年にわたり、メートルとキログラムの原器は再校正のためにBIPM本部に返却されてきた。[46] BIPM局長はCIPMの当然のメンバーであり、すべての諮問委員会のメンバーである。[47]
国際法定計量機構
国際法定計量機構（フランス語：Organisation Internationale de Métrologie Légale、OIML）は、国際貿易を促進する法定計量手順の世界的な調和を促進するために1955年に設立された政府間組織です。 [48]技術要件、試験手順、試験報告書形式の調和により、貿易における測定の信頼性が確保され、不一致や測定の重複によるコストが削減されます。[49] OIMLは、4つのカテゴリーで多数の国際報告書を発行しています。[49]
- 勧告: 計測機器の計量特性と適合性を確立するためのモデル規制
- 情報文書: 法定計量の調和
- 法定計量法の適用に関するガイドライン
- 基本出版物: OIML構造とシステムの運用規則の定義
OIMLには加盟国に勧告やガイドラインを強制する法的権限はないが、加盟国が認証と校正に関する適切で調和のとれた法律を策定するのを支援するために、標準化された法的枠組みを提供している。[49] OIMLは、法定計量管理の対象となる計測機器について相互承認協定（MAA）を定めており、これが承認されると、その機器の評価および試験報告書はすべての参加国で受け入れられるようになる。[50]協定の発行参加国は、ISO/IEC 17065および能力を判断するためのピア評価システムへの準拠を実証した上で、MAA証明書のMAA型式評価報告書を発行する。[50]これにより、ある国の計測機器の認証が他の参加国の認証プロセスと互換性を持つことが保証され、計測機器およびそれに依存する製品の取引が可能になる。
国際試験所認定協力
国際試験所認定協力機構（ILAC）は、適合性評価機関の認証に携わる認定機関のための国際組織である。[51]認定の慣行と手順を標準化し、有能な校正施設を認定し、各国が独自の認定機関を設立できるよう支援する。[2] ILACはもともと、貿易を促進するために認定された試験および校正結果の国際協力を開発するための会議として1977年に始まった。[51] 2000年に36のメンバーがILAC相互承認協定（MRA）に署名し、メンバーの作業が他の署名者によって自動的に受け入れられるようになり、2012年には検査機関の認定が含まれるように拡大された。[51] [52]この標準化により、署名者によって認定された試験所で行われた作業は、MRAを通じて国際的に自動的に承認される。[53] ILACの他の仕事には、試験所および検査機関の認定の促進、および発展途上国における認定システムの開発支援がある。[53]
計量ガイド合同委員会
計量ガイド合同委員会（JCGM）は、2つの計量ガイドを作成および管理する委員会です。測定における不確かさの表現に関するガイド（GUM）[54]と国際計量用語 - 基本的および一般的な概念と関連用語（VIM）[33]です。JCGMは、8つのパートナー組織のコラボレーションです。[55]
- 国際度量衡局 (BIPM)
- 国際電気標準会議(IEC)
- 国際臨床化学・臨床検査医学連合（IFCC）
- 国際標準化機構（ISO）
- 国際純正・応用化学連合(IUPAC)
- 国際純粋・応用物理学連合(IUPAP)
- 国際法定計量機構 (OIML)
- 国際試験所認定協力機構（ILAC）
JCGMには、JCGM-WG1とJCGM-WG2の2つのワーキンググループがあります。JCGM-WG1はGUMを担当し、JCGM-WG2はVIMを担当しています。[56]各メンバー組織は、各会議に出席する代表者1名と専門家2名までを任命し、各ワーキンググループに最大3名の専門家を任命することができます。[55]
国家インフラ
国家計量システム（NMS）は、国の計量インフラストラクチャを実施および維持する研究所、校正施設、認定機関のネットワークです。[8] [9] NMSは測定基準を設定し、国内で行われた測定の精度、一貫性、比較可能性、信頼性を保証します。[57]国家計量研究所の協定であるCIPM相互承認協定（CIPM MRA）の加盟国の測定値は、他の加盟国によって承認されます。[2] 2018年3月現在、CIPM MRAの署名国は102カ国で、58の加盟国、40の準加盟国、4つの国際機関で構成されています。[58]
計量研究所
国家計量標準機関（NMI）の国の計測システムにおける役割は、科学的計量を実施し、基本単位を実現し、主要な国家標準を維持することです。[2] NMIは、国に国際標準へのトレーサビリティを提供し、国の校正階層を固定します。[2]国家計測システムがCIPM相互承認協定によって国際的に承認されるためには、NMIは計測能力の国際比較に参加する必要があります。[9] BIPMは、CIPM MRA参加国の比較データベースと校正および測定能力（CMC）のリストを維持しています。[59]すべての国に中央集権的な計量標準機関があるわけではなく、主導的なNMIと特定の国家標準を専門とするいくつかの分散型機関がある国もあります。[2] NMIの例としては、米国の国立標準技術研究所（NIST）[60] 、カナダの国立研究会議（NRC）[61]、ドイツの物理工学連邦研究所（PTB）[62]、英国の国立物理学研究所（NPL） [63]などがあげられる。
校正ラボ
校正研究所は一般的に工業用計測機器の校正を担当しています。[9]校正研究所は認定されており、業界企業に校正サービスを提供しており、国家計量標準機関へのトレーサビリティリンクを提供しています。校正研究所は認定されているため、企業に国家計量標準へのトレーサビリティリンクを提供しています。[2]
認定機関
組織は、権威ある機関が組織の人員と管理システムを評価することにより、サービスを提供する能力があると判断したときに認定されます。[9]国際的に認められるためには、国の認定機関は国際要件に準拠する必要があり、通常は国際的および地域的な協力の成果です。[9]試験所は、試験所および校正機関の能力に関するISO/IEC 17025一般要求事項などの国際規格に従って評価されます。 [2]客観的で技術的に信頼できる認定を確実にするために、機関は他の国家計測システム機関から独立しています。[9]オーストラリアの国立試験機関協会[ 64]や英国認定サービス[65]は、認定機関の例です。
影響
計量技術は、経済、エネルギー、環境、健康、製造、産業、消費者信頼など、多くの分野に広範囲に影響を及ぼしています。[10] [11]貿易と経済に対する計量技術の影響は、最も明らかな社会的影響の2つです。国家間で公正かつ正確な貿易を促進するためには、合意された計測システムが必要です。[11]水、燃料、食料、電気の正確な計測と規制は、消費者保護にとって重要であり、貿易相手国間の商品とサービスの流れを促進します。[66]共通の計測システムと品質基準は、消費者と生産者に利益をもたらします。共通基準での生産はコストと消費者リスクを軽減し、製品が消費者のニーズを満たすことを保証します。[11]取引コストは、規模の経済の拡大によって削減されます。いくつかの研究は、計測の標準化の増加がGDPにプラスの影響を与えることを示しています。英国では、1921年から2013年までのGDP成長の推定28.4パーセントは標準化の結果でした。カナダでは1981年から2004年の間にGDP成長の9%が標準化に関連したものと推定され、ドイツでは標準化による年間経済利益はGDPの0.72%と推定されている。[11]
法定計量により、レーダーガンやアルコール検知器などの計測機器の効率と信頼性が向上し、それらによる事故による死亡や負傷が減少しました。[66]人体の計測は繰り返し性や再現性が低く困難ですが、計量技術の進歩は医療の改善とコスト削減のための新技術の開発に役立ちます。[67]環境政策は研究データに基づいており、正確な計測は気候変動や環境規制を評価する上で重要です。[68]規制とは別に、計量技術はイノベーションの支援に不可欠であり、計測能力は技術基盤とツールを提供し、それらはさらなるイノベーションを追求するために使用できます。新しいアイデアを構築し、簡単に実証し、共有できる技術プラットフォームを提供することで、計測基準は新しいアイデアの探求と拡張を可能にします。[11]
参照
- 正確さと精度 – 測定誤差の特性
- 寸法計測学 – 専門分野
- 法医学計測学 – 法医学に応用される計測の科学
- 幾何公差の測定と公差 – 工学公差の定義と表現のためのシステム
- 歴史的計量学 – 計測システムの研究
- 国際計量用語集 - BIPM 所長が議長を務める委員会
- 長さの測定 – 長さ、距離、範囲を測定する方法
- 計測（ジャーナル） – 学術ジャーナル
- メートル法化 – メートル法への変換
- Metrologia – 計測学の科学的側面を扱うジャーナル
- スマート計測 - 産業計測へのアプローチ
- 時間計測学 – 明確な基準単位で時間測定の尺度を指定する
- 世界計量デー – SI単位の毎年恒例のお祝い
- 量子計測学 - 量子もつれの高精度計測への応用
注記
- ^ 不確実性分布が正規分布の場合、標準偏差に相当します
参考文献
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、計量学に関連するメディアがあります。
- 科学技術における測定の不確実性、Springer 2005
- 業界標準の「寸法管理計画」を含む製品品質計画に関するプレゼンテーション
- 化学における計測学のトレーニング (TrainMiC)
- 化学における計測科学